Recent progress related with ultra-steels at NIMS

Ultra - steel Project performed at National Institute for Materials Science(NIMS) 1997 -2005 proposed "Breakthroughs for innovation by steel science".The main concepts were composed of decreasing the environmental load,no or less special alloying elements and safer infrastructure with reduced the total life cost.Four "double strength and double life" steels were developed as follows:①800 MPa-class ecologically beneficial steels for welded structures,②1 500 MPa steels with high resistance to fracture,③advanced ferritic steels for 650C-USC boilers and④Ultra-steels for structures in marine and offshore environments.World steel society is still growing with threatening limits of resources and energy.Application of the ultra-steel ideas would be increasingly helpful for the global sustainability.The talk will introduce the recent progress in steel research at NIMS,based on the project accomplishments.

高强钢管超高性能混凝土短柱轴压承载力性能试验研究

为研究高强钢管内填超高性能混凝土(UHPC)的钢管混凝土短柱轴压性能,该文设计22根高强钢管UHPC短柱进行轴压试验,从破坏模式、荷载-纵向应变关系对试件的轴压性能进行对比分析,旨在通过径厚比、混凝土强度、截面类型等变化来探究高强钢管UHPC短柱的实际承载力性能差异.试验结果表明:高强钢管UHPC短柱的轴压性能受径厚比、混凝土强度影响较大;试件承载力随钢管壁厚增加而增加,但相同钢管直径和不同钢管直径增幅呈现不同规律.该文从延性、核心混凝土强度提高程度两个角度进行分析并提出高强钢管混凝土试件的相关参数设计建议.最后,将高强钢管UHPC短柱的轴压试验承载力结果与国内外规范GB 50936—2014、AIJ计算承载力结果进行对比,并基于极限平衡理论推导出高强圆钢管UHPC试件的轴压承载力计算公式,同时结合该文试验数据对其进行验证,证明了公式的准确性.

点蚀效应下超强钢丝疲劳损伤演化及寿命预测

主缆作为悬索桥不可更换的关键承重构件,其钢丝的疲劳寿命将直接影响桥梁的安全性和耐久性。由于主缆通常暴露于侵蚀环境中,往往会产生不同形式的腐蚀效应,其中点蚀是一种破坏力强且十分典型的腐蚀损伤,通常会成为疲劳裂纹萌生的初始点,从而显著降低构件的疲劳寿命。为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明:采用元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型可以很好地展现真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处会发生应力重分布现象,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加;在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命减少约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。研究结果可为腐蚀环境下超高强钢丝的疲劳寿命评估和提高桥梁的耐久性提供参考。

高强钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能试验

目的为了研究高强钢管超高性能混凝土的黏结滑移性能,方法考虑径厚比、长径比和钢纤维掺量3个参数的影响,设计并制作15根构件进行试验研究,通过推出试验,得到轴向荷载与加载端位移的荷载-位移曲线,以及高强钢管与超高性能混凝土之间的黏结强度,根据试验结果,对影响黏结强度的参数进行定性定量分析。结果结果表明:随着高强钢管长径比和径厚比的增加,黏结强度减小;随着钢纤维掺量增加,试件黏结强度先增加后减小,即当钢纤维掺量从1%增加到2%时,黏结强度增加,但当钢纤维掺量从2%增加到3%时,黏结强度反而降低;试件荷载-滑移曲线表现为两种形式,一是有明显的峰值点,峰值点后曲线急速下降(部分出现尾部上升的现象),二是曲线无明显峰值点,拐点后曲线持续缓慢增长。高强钢管超高性能混凝土的黏结破坏分为黏结阶段、滑动阶段和抗摩擦阶段。结论以长径比、径厚比、含钢率和套箍系数为参数,结合试验数据并对其进行回归分析,得到适用于高强钢管超高性能混凝土黏结强度的计算模型,并将计算结果与试验结果进行对比,计算值与试验值吻合较好,可为实际工程提供一定参考。

航空超高强度钢表面防护技术的研究进展

超高强度钢同时具有高强度和高韧性,是航空航天领域的重要承载构件,在飞机起落架、主梁、传动件、承力螺栓等领域有着广泛的应用。由于其使用时经常暴露在海洋大气环境下,腐蚀现象比较严重,通过对其进行表面保护,可以有效地改善其耐蚀、耐磨等性能,延长相关零件的使用寿命。针对目前常用的几种表面防护技术(热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、表面组织转化、激光熔覆、离子注入等),综述了这些表面防护方法对不同超高强度钢耐磨、耐蚀、氢脆、疲劳等方面的影响,分析了这些防护方法的优缺点,并对其今后的发展方向进行了展望。

钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

对比研究了钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土(UHPC)工作性能及力学性能的影响,并通过SEM分析研究其演化机理。结果表明:随钢纤维掺量的增加,UHPC的工作性能变差,且端勾型钢纤维对工作性能劣化最明显。当钢纤维掺量为1.5%~2.5%时,端勾型和长直线型钢纤维UHPC的抗压、抗折及劈裂抗拉强度较高;当钢纤维掺量超过1.0%后,UHPC的拉压比会出现大幅提高,折压比相对提高不明显;当钢纤维掺量为1.5%~2.0%时,短直线型钢纤维UHPC的力学性能和工作性能最佳。SEM分析发现,钢纤维在基体中错向连续搭接分布,形成三维网状结构,能够阻止宏观裂缝的产生和微裂纹的发展,使UHPC表现出良好的力学性能。

超高钢混风电塔筒液压导向系统研究

为了更加高效的利用高空风能,作为绿色清洁能源之一的风力发电,朝着风电机组单机容量越来越大、承载基础的塔筒建设高度越来越高的趋势发展。传统锥筒式全钢塔筒逐渐被预应力混凝土-钢组合塔筒所取代。预应力混凝土-钢组合塔筒兼具混凝土塔筒及钢塔筒两者的优势,具有承载力高、稳定性好、运输施工维护方便、建设成本低等特点,以适应较高高度风电场的需求,代表了未来风电塔筒结构发展的方向。由于高空风载荷大、风电机组的偏心载荷大等不利因素,导致提升过程中产生大弯矩和扭转的工况。因此,导向问题已成为预应力混凝土-钢组合塔筒建设中需要首先解决的技术难题。针对这一难题,创新研制了超高钢混风电塔筒导向液压系统,结合传感检测和智能控制算法,克服上述不利因素,依次将混凝土内塔筒和中塔筒提升到位,高质量地实现了国内陆上最高的国家电投鲁阳170 m高的风电钢混塔筒的安装。

部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁抗裂性能

为研究部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁的抗裂性能,开展了4根不同钢纤维掺量的部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁与1根部分充填式窄幅钢箱-NC组合梁静力加载试验。试验表明:在负弯矩作用下,部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁裂缝呈现数量多、短小且密集的特点;同等配筋率的条件下,不同钢纤维掺量(0、1%、2%和3%)部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁与部分充填式窄幅钢箱-NC组合梁相比,在弹性阶段其刚度明显提高,最大裂缝宽度随钢纤维掺量的增加而减少,开裂强度分别提高了36.0%、48.8%、82.0%和112.0%,UHPC显著提高了组合梁的抗裂性能;可以参考按照JTG 3362—2018中裂缝宽度式乘以0.8的修正系数来计算部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁裂缝宽度。

焊丝成分对超高强装甲钢焊接接头组织与性能的影响

利用气体保护电弧焊工艺完成了4.5 mm和9.0 mm超高强装甲钢的焊接,研究了焊丝(MG70S-6和ER307Si焊丝)成分对接头组织与性能的影响,通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)等表征方法对焊接接头各区域进行微观组织和物相结构的分析,并测试了接头的硬度分布、拉伸性能和冲击韧性。结果表明,焊接接头成形质量良好,无明显未熔合、气孔、裂纹等缺陷,焊缝区组织为片状马氏体、针状铁素体和少量粒状贝氏体,完全淬火区组织为马氏体和贝氏体,不完全淬火区组织为马氏体和铁素体,回火区析出网状渗碳体。焊接接头的热影响区软化现象较为明显,接头难以达到与母材等强,断裂主要发生在焊缝区,呈现出脆性断裂特征。采用ER307Si焊丝焊接的9.0 mm装甲钢接头的焊缝室温冲击功达到94 J,完全满足使用要求。

不同类型钢纤维UHPC无腹筋梁受剪性能试验

基于单点加载下4根超高性能混凝土无腹筋梁构件受剪破坏试验结果,研究其受剪性能,以钢纤维类型为主要研究参数,分析钢纤维类型对无腹筋梁的受剪承载力、裂缝发展形态、挠度和韧性等发展规律。结果表明:端钩型钢纤维对提高超高性能混凝土无腹筋梁的受剪承载力、阻滞裂缝发展及控制试件变形能力作用优于光滑平直型和波浪型钢纤维,而端钩型Ⅱ钢纤维优于端钩型Ⅰ钢纤维;端钩型Ⅰ和光滑平直型钢纤维增韧效果较好,但分担纵筋拉力较少;波浪型钢纤维分担纵筋拉力较多,提高超高性能混凝土无腹筋梁抗裂性的效果较好,但增韧效果较差。经对比分析,陈璇公式计算值精确度较高,离散程度小。

西安城市展示中心长悬挑、大跨度钢结构设计

西安城市展示中心由南馆、北馆和连桥组成,其中南馆悬挑长度62m,连桥跨度150m。结合建筑方案特点,南馆与连桥采用整层钢桁架结构体系,结构布置与建筑形态高度契合。介绍了南馆、连桥、穹顶、屋面等位置的结构布置情况,明确了超限项和抗震性能目标,对于多杆件复杂交汇钢节点进行有限元分析。针对南馆、连桥屋楼盖振动舒适度不足,设计布置了调谐质量阻尼器(TMD),实测减振效果显著。对连桥提升过程进行施工模拟,结果表明该过程增加了连桥挠度,需要考虑提前起拱。对超长连体结构温度和地震行波效应进行分析,根据结果对连桥楼板配筋和局部框架柱进行了加强。大震弹塑性分析与防连续倒塌分析结果表明,结构满足“大震不倒”的性能目标,结构冗余度较高,具有良好的防连续倒塌能力。

高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能试验及其有限元分析

为研究高强型钢超高性能混凝土短柱的轴压性能,对试件进行了轴心受压试验,设计参数包括配钢率、箍筋间距和箍筋形式。观察了试件的轴压破坏过程,获得了破坏形态及轴向荷载-位移曲线,分析了承载能力、变形能力、刚度等轴压性能指标,以及超高性能混凝土、纵筋、箍筋和型钢的应变发展规律。在试验研究基础上,采用ABAQUS建立了高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而进行了参数分析。结果表明:试件发生的是典型轴压破坏,中部表面出现“锯齿形”裂缝;轴向荷载-位移曲线会出现2次荷载峰值;箍筋间距减小时,试件的承载能力和变形能力均提高,但刚度退化速率没有显著变化;配钢率增大时,试件的承载能力提高,变形能力先增大后减小,刚度退化变缓;型钢强度增大时,试件的承载能力和变形能力均提高,提高速度先快后慢;超高性能混凝土抗压强度增大时,试件的承载能力提高,变形能力降低;超高性能混凝土受拉能够达到峰值应变;纵筋在极限点之前发生受压屈服;箍筋在极限点时应变不足屈服应变的1/3,但在破坏点前达到受拉屈服;型钢翼缘在极限点前后发生屈服,腹板屈服晚于翼缘。

新型汽车覆盖件钢板性能研究

UF340作为一种新型超细晶高强钢,在汽车外覆盖件的应用上具有替代HC180BD的潜力,研究了UF340力学性能和成形性能。结果表明,在塑性、加工硬化指数和各向异性方面,UF340与HC180BD具有相似的力学性能,与HC180BD相比UF340没有明显的烘烤硬化性,2种材料的成形性能基本一致。通过Keeler模型计算获得UF340的成形极限曲线与成形试验结果存在一定差异,采用线性分段拟合方式获得的成形极限图与试验结果吻合度更高,采用该方法获得的成形极限曲线可为新材料的成形应用提供参考。

3 GPa超高强度马氏体时效钢组织性能

航空航天系统的小型化、轻量化发展趋势对动力轴材料的强塑性提出了更高的要求。为了开发3 GPa级的马氏体时效钢,设计一种高Co、Ni、Mo的马氏体时效钢,其成分为14Ni-15Co-9Mo-0.86Ti-0.35Al-Fe。通过锻比大于10的高温大塑性变形尽可能细化晶粒,并结合预拉伸变形及深冷+时效的热处理工艺调控,实验钢抗拉强度达到3.076 GPa,断后伸长率5.5%,表现出了优异的强塑性。通过对其显微组织进行分析表征,发现其基体组织为高位错密度的板条马氏体结构,平均晶粒尺寸为0.47μm。透射电镜及3DAP结果表明,基体中分布着大量的Ni3(Mo,Ti),析出相平均直径为6~7 nm。析出强化、细晶强化及位错强化是其主要的强化机制,保证了合金超过3 GPa的超高强度,同时极细的亚微米级晶粒保证了材料良好的塑性。

超高性能混凝土中纤维作用效应研究综述

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高强度、高耐久性的新型水泥基复合材料,其应用仍受到包括造价高、韧性不足、高温抗爆裂性能差等因素的影响,相关研究表明上述因素均与内掺纤维有关。为进一步促进纤维对UHPC性能的优化,推进UHPC在工程领域中的应用,通过梳理国内外近年来相关研究成果,总结钢纤维形状和长径比、不同纤维类型、纤维混杂和纤维取向分布对UHPC相关性能的影响,结果表明:钢纤维具备优异的力学性能且来源广泛,仍为UHPC中主要使用的纤维,异形钢纤维改善UHPC抗拉、抗弯等性能效果更好,但工作性能会相应地降低,建议钢纤维掺量采用2%~3%;不同类型纤维混掺存在最优组合,非钢纤维掺量普遍不超过0.5%;纤维平行于主拉应力方向分布能够提升纤维桥接作用的有效性,随机分布的纤维有效性降到了30%,对于纤维取向控制方法尚不成熟,需要进一步完善方法实现在非实验室条件下纤维定向分布的实际尺寸。

超高性能混凝土拉伸与疲劳性能研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高抗拉强度、优异抗疲劳性能的材料,结合国内外相关文献,利用其突出的性能,对近几年UHPC的拉伸行为及疲劳性能的研究进展进行综述。在拉伸性能方面,总结得出试件的形状、尺寸、钢纤维以及材料配比等都不同程度地影响着UHPC的抗拉性能;合理优化钢纤维的掺量、形状、级配及排列顺序是提高抗拉性能的重要因素,对钢纤维表面进行处理同样可以提高抗拉强度;在疲劳性能方面,对UHPC抗弯疲劳性能、抗压疲劳性能、抗拉疲劳性能进行总结得出:钢纤维对疲劳性能影响最大,温度、UHPC的强度、应力水平以及加入其他纤维与配筋都不同程度地影响着钢纤维的疲劳性能。最后,从工程应用角度出发,介绍了UHPC相关规范,介绍了UHPC在抗拉、抗疲劳性能及桥梁方面的应用实例,并提出合理的建议。

1180 MPa级超高强钢冷连轧过程的厚度综合控制技术

针对超高强钢在冷轧过程中厚度波动大以及带头带尾厚度超差的问题,首先根据金属秒流量模型建立了厚度超差预测模型与辊缝调节量预估模型;随后开发了轧制过程中的厚度控制系统,并进行了辊缝调节量优化;最后建立了带钢头尾轧制过程中的轧制速度与张力优化模型。以国内某冷连轧机组的第1机架为技术应用对象,选择两种典型的超高强钢进行生产测试,测试结果表明:超高强钢AR4146E1与DU6220A1的厚度超差长度分别从70.3 m、36.89 m下降到了16.85 m、16.33 m。

基于无剪力钉体系的RBPC钢桥面铺装技术及其应用

为探索长大桥钢桥面全寿命周期养护新技术,解决现有钢桥面铺装及正交异性板疲劳损伤的难题,开展树脂连接型超高性能混凝土RBPC铺装技术研发工作。研究结果表明:相比同条件环氧类EA铺装结构,RBPC铺装下钢板应力减少约40%,提升钢桥面结构刚度50%以上,验证此铺装结构对正交异性板具有一定刚度提升和补强效果;使用缓粘接湿粘接剂代替栓钉粘接防水抗滑层(RBChip)的新工艺,接触方式由“点”改“面”,便于后期维修养护,且全国首次在长江公路大桥铺装重置工程中成功应用。

柱脚设角钢的高强钢棒混凝土方柱抗震性能研究

以低粘高强钢棒作为主筋的混凝土柱,能在直至大变形阶段均具有稳定增长的承载力和较小的残余变形,有良好的自复位性能,但耗能能力较延性柱弱。该研究在高强钢棒混凝土方柱的柱脚配置角钢,在保证高强钢棒混凝土柱良好自复位性能的基础上提高其水平承载力和耗能能力。设计并制作了4根柱脚配置角钢和1根无角钢的高强钢棒混凝土方柱,进行低周往复加载试验,研究柱脚有无角钢、角钢厚度和轴压比、剪跨比对柱水平承载力、残余变形和耗能能力的影响。试验结果表明:所有高强钢棒柱加载直至位移角4%仍保持持续增长的承载力,加载位移角为2%和4%时的残余位移角分别在0.5%和1%以内,构件可修复概率分别能达100%和50%;与无角钢柱相比,相同轴压比的柱脚配置角钢的混凝土柱受弯承载力提升率达47%,单循环耗能提升最大达94%,累积耗能提升达24%;随着剪跨比的增加,试验柱的承载力下降;随角钢厚度的增大,承载力提升率增大,而耗能提升率减小。

圆钢管超高性能混凝土短柱偏压力学性能研究

为研究钢管超高性能混凝土短柱的偏压性能,以荷载偏心率和钢管径厚比为变化参数,设计了12个圆钢管UHPC短柱试件并对其进行偏心受压加载试验,分析了该类构件的破坏模式、荷载-挠度曲线、钢管应变和变形系数等,考察了主要因素对短柱偏压性能的影响规律。结果表明:试件的破坏特征为钢管屈服和核心混凝土压坏;荷载-挠度曲线有较明显的峰值点,偏心率越大和径厚比越小,曲线的下降段越平缓;达到60%峰值荷载时,钢管开始产生明显的约束作用,达到90%峰值荷载时,截面变形不再符合平截面假定;偏心率增大使试件的承载力和刚度下降,而径厚比减小可降低这种不利影响。在试验基础上,结合数值模拟对短柱的N-M曲线进行分析,建立了临界偏心率和套箍系数的关系表达式,并基于此提出短柱偏压承载力实用计算方法,理论与试验结果吻合较好。